地源熱泵系統(tǒng)是將低品位熱量轉(zhuǎn)換成高品位熱量進(jìn)行供熱、制冷的新型能源利用方式之一。與使用燃煤、燃?xì)狻⑷加偷瘸Ｒ?guī)能源方式相比，其能量利用率為3.5以上(燃煤為0.65～0.85；燃油爐為0.7～0.9；燃?xì)鉅t為0.8～0.85；電鍋爐電熱膜的理想值也只能接近于1；空氣源熱泵系統(tǒng)可做到2.5，但在惡劣天氣下效率低，甚至無法啟動(dòng))。地源熱泵系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能、一機(jī)多用、維護(hù)量小、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、能源重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)而得以推廣。據(jù)美國環(huán)保署估計(jì)，一套設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵系統(tǒng)平均可以節(jié)約(30～40)%的運(yùn)行費(fèi)用，可減少污染物排放高達(dá)70%以上。

    然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，很多地源熱泵項(xiàng)目因設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理等問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢。下面通過對我單位實(shí)施的某地下水源熱泵系統(tǒng)改造前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以及與其它地源熱泵項(xiàng)目、與其他空調(diào)形式進(jìn)行對比，說明了地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)性及影響其經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)因素。

工程概況

    該項(xiàng)目位于北京海淀區(qū)，原地源熱泵系統(tǒng)由北京某地源熱泵施工單位承建，總建筑面積4.2萬平方米，其中主樓2.8萬平方米，裙樓1.4萬平方米。共設(shè)LWP1800.2型水源熱泵機(jī)組7臺(tái)，單臺(tái)標(biāo)稱功率123kW；鑿井7眼，深井泵7臺(tái)，單臺(tái)標(biāo)稱功率37kW；抽取的地下水除沙后分別經(jīng)7臺(tái)板式換熱器與機(jī)組進(jìn)行熱交換，作為機(jī)組的冷熱源；井水側(cè)二次水循環(huán)泵7臺(tái)，單臺(tái)標(biāo)稱功率15kW；末端循環(huán)泵7臺(tái)，單臺(tái)標(biāo)稱功率18.5kW。系統(tǒng)于2004年6月建成并部分投入使用，運(yùn)行效果較差，不能滿足正常的使用要求。

    2006年初由建研院空調(diào)所進(jìn)行熱泵系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)、北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司進(jìn)行了系統(tǒng)改造施工、調(diào)試，并承擔(dān)了空調(diào)系統(tǒng)的日常運(yùn)行維護(hù)管理工作。改造后主樓利用原有水源熱泵機(jī)組5臺(tái)，鉆鑿抽水井3眼、回灌井3眼、水量調(diào)節(jié)池1眼，新安裝深井泵3臺(tái)，標(biāo)稱功率55kW并配ABB變頻器3臺(tái)，井水經(jīng)除沙器及電子水處理儀處理后直接進(jìn)入機(jī)組，無井水側(cè)二次循環(huán)泵；使用原末端循環(huán)泵5臺(tái)；末端設(shè)備采用新風(fēng)機(jī)組加風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行冬季供暖及夏季供冷。其中新風(fēng)機(jī)組17臺(tái)，合計(jì)71.1kW；風(fēng)機(jī)盤管542臺(tái)，合計(jì)20.3kW。裙樓利用原有水源熱泵機(jī)組2臺(tái)；井水部分與主樓共用，使用原末端循環(huán)泵2臺(tái)。

    本文以主樓地源熱泵系統(tǒng)07年冬季及08年夏季運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在下文中將改造后的主樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡稱為本系統(tǒng)。

   本系統(tǒng)運(yùn)行以來，井水出水溫度最高16.3℃，最低15.3℃；利用溫差大多在3.5～7℃之間；單井出水量大于180m3/h； 靜水位30.15m、動(dòng)水位約30.5m；抽水降深為0.35m±8%；水量調(diào)節(jié)池靜水位為12.13m、動(dòng)水位15.3m，差為3.17m；井水含沙量小于二十萬分之一。依此數(shù)據(jù)判定地下水系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定。

    熱泵機(jī)組開啟3臺(tái)的時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間7%以下、開啟2臺(tái)時(shí)間占74.5%、開啟1臺(tái)時(shí)間占18.5%；深井泵及變頻器從06年10月運(yùn)行以來最多開啟1臺(tái)，夏季平均運(yùn)行頻率為74%、冬季平均運(yùn)行頻率為77.2%；末端循環(huán)泵最多開啟2臺(tái)。末端供回水溫差大多在2.5～4.8℃之間，系統(tǒng)運(yùn)行效率較高。

    由于原系統(tǒng)運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)無從考究，在與原系統(tǒng)進(jìn)行對比過程中，根據(jù)原運(yùn)行人員口述系統(tǒng)設(shè)備投入運(yùn)行的情況做簡要對比。

    原系統(tǒng)于2004年6月建成并部分投入使用。運(yùn)行中地下井水能量短路及含沙量嚴(yán)重超標(biāo)，加上板換兩側(cè)流體之間的換熱效率低下、運(yùn)行維護(hù)不善，致使系統(tǒng)井水側(cè)水路嚴(yán)重堵塞。系統(tǒng)長期處于大流量小溫差運(yùn)行狀態(tài)：為滿足一臺(tái)熱泵機(jī)組的正常工作需開啟深井泵4臺(tái)、井水側(cè)二次循環(huán)泵3臺(tái)、末端循環(huán)泵3臺(tái)，井水側(cè)及板換側(cè)溫差均工作在2℃以下。末端溫度不能有效提升，為滿足末端負(fù)荷需求進(jìn)而增開末端循環(huán)泵，無形之中又增加了熱泵對冷熱源需求。如此反復(fù)惡性循環(huán)，造成系統(tǒng)運(yùn)行效率低下、熱泵機(jī)組啟停頻繁、外管線土方塌陷等問題。

    表2列出了改造前后一臺(tái)熱泵機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行工況下所投入的設(shè)備，圖表1為改造前后節(jié)能情況對比。其中改造后的深井泵供一臺(tái)熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)只需給定70%的負(fù)荷，此時(shí)電流約為43A（在開式系統(tǒng)中適當(dāng)下延回水管可降低深井泵揚(yáng)程以達(dá)到節(jié)電的目的），合功率約22kW，故表2中改造后深井泵功率按22kW計(jì)算。

    通過以上數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)改造是成功的。按表中計(jì)算系統(tǒng)供暖季節(jié)電393120度；制冷季節(jié)電253760度，全年共節(jié)電646880度，比原系統(tǒng)節(jié)電56%。

   通過對比，可以分析得出原系統(tǒng)出現(xiàn)高能耗的原因：

    1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。單臺(tái)深井泵抽水后經(jīng)一臺(tái)板換換熱后回灌，能量利用不夠充分；地下水系統(tǒng)存在能量短路現(xiàn)象。

    2、施工組織不得力，成井質(zhì)量不高。井水含沙量嚴(yán)重超標(biāo)，造成井周圍抽空導(dǎo)致地面塌陷。提高成井質(zhì)量可以解決井水含沙量過大的問題，可去除井水側(cè)的二次循環(huán)設(shè)備能耗及板換換熱的溫差損失，有利于實(shí)現(xiàn)井水的100%回灌。

    3、運(yùn)行維護(hù)不得力。運(yùn)維人員未定期除沙，對系統(tǒng)運(yùn)行原理理解不夠，造成系統(tǒng)管路嚴(yán)重堵塞（如圖1），增加了水阻而降低了深井泵的運(yùn)行效率；在井水供應(yīng)不足的條件下增開末端循環(huán)泵，造成末端系統(tǒng)大流量小溫差運(yùn)行。

    本次同系統(tǒng)對比分析數(shù)據(jù)來源于北京市地質(zhì)調(diào)查研究院王澤龍工程師所做的《北京市平原區(qū)淺層地溫能資源地質(zhì)勘查項(xiàng)目－淺層地溫能資源開發(fā)利用經(jīng)濟(jì)效益分析研究》。文中參與分析研究的項(xiàng)目為30個(gè)，其中地埋管地源熱泵項(xiàng)目5個(gè)，地下水地源熱泵25個(gè)；有制冷數(shù)據(jù)的項(xiàng)目27個(gè)，有采暖數(shù)據(jù)的項(xiàng)目29個(gè)。
 
    因多數(shù)項(xiàng)目的末端風(fēng)機(jī)盤管或新風(fēng)機(jī)組的電耗沒有單獨(dú)計(jì)量，故在本節(jié)的對比分析中不計(jì)算末端設(shè)備能耗。

    從表3可知，本系統(tǒng)供暖季電耗0.113kW•h/(m2•d)，接近同系統(tǒng)最小值；比同系統(tǒng)平均值節(jié)電59.9%，供暖季合計(jì)少耗電890040 kW•h；比同系統(tǒng)最大值節(jié)電78.6%。制冷季電耗0.06 kW•h/(m2•d)，低于同系統(tǒng)最小值；比同系統(tǒng)平均值節(jié)電65.5%，制冷季合計(jì)少耗電387747.5 kW•h；比同系統(tǒng)最大值節(jié)電84%。
熱泵系統(tǒng)單位面積電耗差距較大。供暖季最大值是最小值的4.75倍；制冷季最大值是最小值的6.37倍。

   以此分析數(shù)據(jù)可以看出：

    1、熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗效率差距較大，在日后的推廣與發(fā)展中還需不斷進(jìn)行優(yōu)化與完善。

    2、熱泵系統(tǒng)專業(yè)性強(qiáng)。為充分發(fā)揮其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢，還需我們延伸服務(wù)范圍，從項(xiàng)目全壽命周期出發(fā)，加強(qiáng)日后運(yùn)行維護(hù)管理隊(duì)伍的建設(shè)，以充分體現(xiàn)地源熱泵工程的價(jià)值。

    3、熱泵系統(tǒng)是一項(xiàng)好技術(shù)，但是能否達(dá)到節(jié)能效果，則需要對項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)階段嚴(yán)格把關(guān)，最重要的環(huán)節(jié)是地下系統(tǒng)的施工質(zhì)量。

   與其它采暖系統(tǒng)進(jìn)行對比的資料為：中國國際工程咨詢公司2001年所做的《北京城市采暖供熱方式研究》，該報(bào)告中計(jì)算了各種采暖方式折合為標(biāo)準(zhǔn)煤的能耗和污染物的排放量。

本系統(tǒng)與其它采暖空調(diào)系統(tǒng)對比
 
 

    本系統(tǒng)供暖季能耗折合為煤耗為9.21Kg/m2•季，與其它采暖方式相比能耗最低。與城市熱網(wǎng)采暖相比每平方米每季少耗煤12.52Kg/m2•季，節(jié)能58%，每平方米每季少排二氧化硫326克/m2•季、氮氧化物121.7克/m2•季、煙塵34.8克/m2•季；與蓄熱式電鍋爐相比每平方米每季少耗煤47.89Kg/m2•季，節(jié)能83.9%；與電熱膜相比每平方米每季少耗煤45.02Kg/m2•季，節(jié)能83%；與壁掛式燃?xì)鉅t相比每平方米每季少耗煤11.61Kg/m2•季，節(jié)能55.8%，每平方米每季少排氮氧化物43.4克/m2•季、煙塵2.95克/m2•季；與直燃機(jī)相比每平方米每季少耗煤10.38Kg/m2•季，節(jié)能53%，每平方米每季少排氮氧化物40.8克/m2•季、煙塵2.8克/m2•季。

    本系統(tǒng)年能耗折合標(biāo)煤為12.36Kg/m2•年。與城市熱網(wǎng)+冷水機(jī)組相比少耗煤16.41Kg/m2•年，節(jié)能57%；與蓄熱式電鍋爐+冷水機(jī)組相比少耗煤51.78Kg/m2•年，節(jié)能80.7%；與電熱膜+冷水機(jī)組相比少耗煤48.91Kg/m2•年，節(jié)能79.8%；與壁掛式燃?xì)鉅t+冷水機(jī)組相比少耗煤15.5Kg/m2•年，節(jié)能55.6%；與直燃機(jī)+冷水機(jī)組相比少耗煤14.27Kg/m2•年，節(jié)能53.6%。

    從以上分析數(shù)據(jù)可以看出：

     1、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最低。其全壽命周期價(jià)值可因此而趨于最佳。系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性可根據(jù)建設(shè)投資、運(yùn)行成本及使用年限進(jìn)行評價(jià)。

     2、對于空調(diào)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的節(jié)能與減排具有統(tǒng)一性。熱泵系統(tǒng)沒有直接排放、其能耗小，間接排放相對較低，因此是日前理想的空調(diào)系統(tǒng)。

綜上所述：
　　　
    地源熱泵系統(tǒng)是一種節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)。其節(jié)能空間巨大。項(xiàng)目策劃階段的地質(zhì)資源評估、工程實(shí)施階段的設(shè)計(jì)、施工及組織管理；運(yùn)行維護(hù)階段的參數(shù)（水流量及風(fēng)量）調(diào)整、峰谷平電價(jià)的利用等都與其經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。

    好的技術(shù)不一定成就好的項(xiàng)目，節(jié)能技術(shù)做不好就不節(jié)能。地源熱泵系統(tǒng)成功的關(guān)鍵在地下系統(tǒng)。這就要求我們做好項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行維護(hù)的每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以“干一個(gè)項(xiàng)目，樹一塊豐碑，開拓一方市場”的思路推動(dòng)熱泵產(chǎn)業(yè)不斷完善和進(jìn)步，用知識與經(jīng)驗(yàn)去挖掘其更廣闊的節(jié)能空間。

責(zé)編：dhl